اصول قدرت تعویض و حساسیت حرارتی

انتقال برق در الکترونیک مدرن در دسترس است، ارائه قدرت DC تنظیم شده از یک منبع AC یا DC با بهره وری بالا، بر خلاف تنظیم کنندگان خطی، سوئیچ منابع استفاده از یک عنصر سوئیچ فرکانس بالا (معمولا یک فوت) و یک ترانسفورماتور مغناطیسی برای افزایش ولتاژ یا پایین، این فرایند تغییر گرما را به عنوان یک محصول جانبی تولید می کند، ایجاد یک چرخه خود-incing که در آن افزایش می یابد، که باعث افزایش میزان گرما و یا مشخص کردن هر کسی می شود.

استرس حرارتی یکی از علل اصلی شکست زودرس در انتقال منابع برق است. داده های فیلد از برنامه های صنعتی نشان می دهد که افزایش 10 درجه سانتی گراد در دمای بالا می تواند طول عمر مورد انتظار برخی از اجزای خاص را به ویژه خازن های الکترولیتی کاهش دهد.این حساسیت ناشی از مواد داخلی و اتصالات سریعتر در دمای بالا و به دلیل تغییرات سریع دما باعث ایجاد فشار مکانیکی می شود.

چگونه تغییرات دما بر قابلیت اطمینان تأثیر می گذارد

تغییرات دما بر انتقال قدرت از طریق چندین مکانیسم متمایز تأثیر می گذارد.هر مکانیسم اجزای خاصی را هدف قرار می دهد و می تواند منجر به تخریب تدریجی و شکست فاجعه بار ناگهانی شود.

تاثیر بر روی خازن های الکترولیتی

خازن های الکترولیتی در میان حساس ترین اجزای دما در یک منبع برق سوئیچ هستند. الکترولیت آنها به آرامی در طول زمان تبخیر می شود، یک فرایند به طور چشمگیری با حرارت تسریع می شود.در 85 درجه سانتیگراد، یک خازن معمولی ممکن است طول عمر 2000 ساعت را افزایش دهد؛ در 65 ° C، که همان خازن ممکن است 10,000 ساعت یا بیشتر از حد ضعف رابطه باشد.

عملیات کم دما همچنین بر خازن ها تاکید می کند، در دمای بسیار سرد، ویسکوزیته افزایش می یابد، افزایش ESR و کاهش خازن.اگر عرضه باید در 40-40 درجه سانتیگراد شروع شود، جریان سرفه می تواند به خازن آسیب برساند قبل از اینکه شانس گرم شدن داشته باشد.

تاثیر بر روی نیمه هادی های قدرت

و در مرحله ی تغییر، به طور مستقیم تحت تاثیر دمای اتصال قرار می گیرند.[۱] مقاومت در برابر ( DS] و کاهش مقدار حرارت ضعیف تر است، به طور معمول با 0.5 درصد در ° C. بالاتر [FLT] [R [r] حرارت را افزایش می دهد (۳][۱۰]

دوچرخه سواری حرارتی - گشت و گذار مکرر بین حالت های سرد و گرم - باعث گسترش تفاوت بین سیلیکون می شود و بسته منجر به بیش از هزاران چرخه می شود، این می تواند شکاف هایی در مفصل های فروخته شده یا توهم مواد متصل به مرگ ایجاد کند که منجر به عملیات متناوب یا یک مدار باز برق خودرو می شود که نوسانات دمای گسترده ای از خلیج موتور را به سرد زمستان تجربه می کند، به ویژه آسیب پذیر هستند.

تاثیر بر روی اجزای مغناطیسی

ترانسفورماتورها و استنتاج کنندگان به هسته های فریت متکی هستند که خواص مغناطیسی آنها با دما تغییر می کند.در دمای بالا، ضررهای هسته ای (هیسترهاis و جریان لرزه) افزایش می یابد و کاهش تراکم اشباع شار که به طور معمول در 25 ° C عمل می کند ممکن است در ولتاژ خط بالا و دمای بالا، باعث افزایش بزرگ فعلی که تغییر ترانزیستور و تخریب آن به طور بالقوه کاهش می یابد، کاهش می یابد، همچنین کاهش می یابد.

قابلیت اطمینان: مدل های دما و عمر

مهندسان از چندین مدل تجربی برای پیش بینی اثر دما بر عمر عرضه برق استفاده می کنند. رایج ترین مدل Arrhenius مدل است که نرخ شکست را به عنوان یک عملکرد نمایی از دما بیان می کند:

[[ویرایش] [۱] [۱۰] [۱] [۱۰] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱۰]] [۱] [۱۰]] [۱] [۲] [۳] [۱] [۱۰] [۱] [۳] [۱] [۳] [۱] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [[[[[[[[[[[[[[[۳] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۳] [۳] [۱] [۳] [۱] [۱] [۳] [۱] [۱] [۱] [۳] [۳] [۱] [۳] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۳] [۳] [۳] [۱] [۳] [۳] [۳] [۱] [۳] [۱] [۳

در حالی که λ نرخ شکست است، A عامل پیش از اندازه گیری است، a یک عامل فعال کننده انرژی (معمولا 0.7-1.0 eV برای خازن های الکترواتیک)، k ثابت بولتzmann است و T درجه حرارت مطلق است که بسیاری از دستورالعمل های مستقل استفاده می شود و به عنوان دستورالعمل های \r2-2-X2.

برای خستگی مکانیکی به دلیل دوچرخه سواری حرارتی، معادله ی (FLT:0)-Manson تعداد چرخه ها را به شکست در محدوده ی دمای چرخه مرتبط می کند:

[[ویرایش] [[[ویرایش] [[۱۰]] [۱۰] [۱۰]] [۱۰]] [۱۰] [۱۰]] [۱۰] [۱۰]] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۲۲] [۱۰] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [[[۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [[[[[۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [[[[۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [[[[[[۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳

در جایی که تعداد چرخه های شکست است، ΔT نوسان دما است و m معمولا بین 1.5 تا 3 برای مفاصل فروخته شده است.

لینک خارجی: برای بیشتر در معادله Arrhenius در مهندسی قابلیت اطمینان، ببینید Reliability HotWire: مدل Arrhenius .

استراتژی های طراحی برای قابلیت اطمینان حرارتی بهبود یافته

بهبود قابلیت اطمینان در استرس دما نیازمند یک رویکرد چند وجهی است که شامل انتخاب اجزای، توپولوژی مدار، مدیریت حرارتی و طراحی مکانیکی است.

تکنیک های مدیریت حرارتی

مستقیم ترین راه برای کاهش اثرات دما، حذف موثر گرما است.

  • گرماهای پیشگیرانه - آلومینیوم یا مس متصل به اجزای برق، سطح را برای خنک سازی مخلوط افزایش می دهد.
  • خنک کننده هوا - فن ها یا باروک ها به طور چشمگیری انتقال حرارت هماهنگ را بهبود می بخشد، با این حال، قابلیت اطمینان فن به خودی خود یک نگرانی تبدیل می شود؛ طرفداران اضافی یا کنترل سرعت هوشمند می توانند کمک کنند.
  • خنک کننده شفاف - استفاده در تجهیزات صنعتی و مخابراتی با گردش خنک کننده می تواند گرما را از اجزای متعدد حذف کند، که تراکم قدرت بالاتری را فراهم می کند.
  • (FLT:0) دفع و دفع – epoxs رسانا یا سیلیکون پر از حفره در اطراف اجزای، کاهش نقاط داغ و بهبود گرما گسترش به محوطه.
  • لوله های هیات و اتاق های بخار - دو فاز که گرما را با مقاومت بسیار کم حرارتی حمل می کنند، برای تمرکز گرما بر روی یک گرما از راه دور مفید است.

انتخاب و ویرایش

انتخاب اجزای با درجه حرارت گسترده بسیار مهم است.برای خازن های الکترولیتی[ویرایش] استفاده از 105 °C یا 125 ° C قطعات امتیاز حتی اگر محیط مورد انتظار پایین باشد؛ حاشیه اضافی به طور چشمگیری گسترش عمر.انتخاب مواد با کم (FLT:0R [F:2DS] [F2] [FLT] حداکثر فرکانس مرکزی برای از دست دادن دما مطلق هرگز نباید بیش از حد باشد.

دستورالعمل های تجزیه از استانداردهای صنعت (به عنوان مثال، IPC-9592، JEDEC JESD74) توصیه می کند که یک عامل ایمنی 0.5 تا 0.8 را در ولتاژ، فعلی و رتبه بندی قدرت، با تقسیم چند برابر تنظیم شده برای دمای محیط، به عنوان مثال، یک خازن رتبه در 100 V نباید در معرض بیش از 80 V در 85 درجه سانتیگراد قرار گیرد.

لینک خارجی: یک راهنمای عملی از هوافضای هوا الکترونیک: قطعات برش برای تجهیزات برق در دسترس است.

طرح و ملاحظات مکانیکی

طرح تخته مدار چاپ به طور قابل توجهی بر عملکرد حرارتی تأثیر می گذارد. قرار دادن قطعات گرم بالا در نزدیکی لبه هیئت مدیره یا بیش از یک آبگرم بزرگ مس، استفاده از حرارتی از طریق برای انتقال گرما به یک هواپیمای داخلی زمین اجتناب از خوشه قطعات گرم؛ به جای آن، توزیع آنها برای کاهش افزایش دمای محلی.

در طرح های با وضوح بالا، استفاده از پدهای حرارتی ساخته شده از مواد مبتنی بر آلومینیوم را که به عنوان پخش کننده های حرارتی دو برابر می شوند، در نظر بگیرید، همچنین، محوطه را برای اجازه دادن به مسیرهای هوایی طبیعی - خروجی های پایین برای مصرف هوای سرد و خروجی های بالا برای اگزوز طراحی کنید.

روش های تست و اعتبارسنجی

هیچ مقدار شبیه سازی نمی تواند جایگزین تست حرارتی در دنیای واقعی شود.

  • دوچرخه سواری - تغییر بین دمای بالا و پایین (به عنوان مثال، 40 °C به +85 ° C) برای 500 تا 1000 چرخه برای ارزیابی خستگی مفصل و یکپارچگی اشتراکی.
  • زندگی عملیاتی با دمای بالا (HTOL) - اجرای عرضه در دمای حداکثر کیفیت محیط (به عنوان مثال، 70 °C برای تجاری، 105 ° C برای صنعتی) تحت بار کامل برای هزاران ساعت در حالی که نظارت بر پارامترهای خروجی.
  • تصویربرداری از نورال – استفاده از دوربین های مادون قرمز برای شناسایی نقاط داغ و تأیید اینکه تمام اجزای آن در محدوده دمای مشخص خود باقی مانده است.
  • [ALT] تست های زندگی (ALT) - اعمال دما و ولتاژ بالا برای شکست، و سپس استفاده از مدل های Arrhenius برای اضافه کردن طول عمر مورد انتظار در شرایط عادی.

لینک خارجی: برای یک مرور دقیق از استانداردهای سنجش قابلیت اطمینان عرضه برق، اشاره به 1624-2008: استاندارد برای DC و AC Power Supply قابلیت اطمینان .

نتیجه گیری

تغییرات دما یکی از بزرگترین تهدیدات برای تغییر قابلیت اطمینان عرضه برق است.از پیری خازن شتاب گرفته تا فرار حرارتی در نیمه هادی ها و خستگی در مفاصل فروخته شده، اثرات آن فراگیر و اغلب مرتبط است.با درک مکانیسم های فیزیکی اساسی - و استفاده از شیوه های طراحی قوی مانند خنک سازی مناسب، تجزیه و آزمایش کامل - مهندسان می توانند قدرت را ایجاد کنند که عملکرد مداوم در محیط های سخت را ارائه می دهند.

با نگاهی به جلو، تصویب نیمه هادی های باند گسترده (معامل سیلیکون و نیتید گالیم) وعده می دهد دمای عملیاتی بالاتر و ضررهای پایین تر، که بسیاری از چالش های حرارتی توصیف شده در اینجا را کاهش می دهد، همراه با کنترل دیجیتال پیشرفته که می تواند فرکانس تغییر و چرخه وظیفه را در زمان واقعی برای مدیریت دما، نسل بعدی برق برق انعطاف پذیر تر از همیشه، با این اصول اساسی مدیریت برق آینده برای پیش بینی پیش بینی پیش بینی می شود.